化工原理变压吸附论文_化工原理变压吸附论文
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变压吸附
摘要
介绍了变压吸附技术的基本原理及其开发与应用，并对今后变压吸附空气分离技术的发展方向提出了看法。关键词
空气分离 变压吸附 制氧
1.引言
变压吸附(PSA 3技术是近几十年崛起的气体分离技术，PSA用于制氧是近来发展起来的新技术。它与传统的已有近百年历史的深冷法制氧工艺相比，两者各有千秋，在制氧领域各自发挥独自的优势，又彼此激烈竞争。近几年，由于变压吸附空分制氧工艺具有操作灵活方便、投资少、性能好等优点，使其在中小规模空分领域确立了优势，并正不断向大型化发展，对它的研究也成为化工领域的一个热点。
2.变压吸附基本原理
2.1吸附的定义
当两相组成一个体系时，两相界面处的成分与相内成分是不同的，在两相界面处会产生积蓄，这种现象称为吸附；而被吸附的原子或分子返回到液相或气相的过程，称为解吸。在两相界面处，被吸附的物质称为吸附质，吸附相称为吸附剂。
2.2常用的吸附剂
主要有活性白土、硅胶、活性氧化铝、活性炭、碳分子筛、合成沸石分子筛等。2.3变压吸附工作的基本步骤
单一的固定吸附床操作，无论是变温吸附还是变压吸附,由于吸附剂需要再生，吸附是间歇式的。因此，工业上都是采用两个或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替（或依次循环）进行，保证整个吸附过程的连续。
对于变压吸附循环过程，有三个基本工作步骤： 1．压力下吸附
吸附床在过程的最高压力下通入被分离的气体混合物，其中强吸附组分被吸附剂选择性吸收，弱吸附组分从吸附床的另一端流出。
2．减压解吸
根据被吸附组分的性能，选用前述的降压、抽真空、冲洗和置换中的几种方法使吸附剂获得再生。一般减压解吸，先是降压到大气压力，然后再用冲洗、抽真空或置换。
3．升压
吸附剂再生完成后，用弱吸附组分对吸附床进行充压，直到吸附压力为止。接着又在压力下进行吸附。
3变压吸附空气分离技术应用与开发
3.1变压吸附工艺发展现状
变压吸附空分制氧工艺技术的进展与分子筛研制的成就息息相关。初期的PSA制氧装置大多为高压吸收，常压解吸，后来在中大型装置上采用了略高于常压下吸附在真空下解吸的方法。目前工业上操作状况如表3所示。一般来讲，若提高吸附压力，则吸附剂吸附的氮量增加，因此能减少吸附剂用量，但由于解吸排气的气量增加，所以氧收率降低。为了提高氧气回收率，减少电耗，工艺上将吸附压力降至略高于大气压，解吸采用抽真空，这是目前大型工业制氧装置的主流。3.2从空气中制取富氧
传统的制氧方法是空气的深冷分馏，此法可制取高纯度的氧、氮和惰性气体，也是大规模生产这些气体的最经济的方法。但在许多场合，如废水处理、金属冶炼、医疗供氧、化工造气等等并不需要象深冷分馏法所制得的高纯度氧气，而且富氧的需用量相对高纯度氧要更多些。为此人们很早就企图实现用比深冷法更简便的方法富集氧气。对分子筛的研究发现，在5A型分子筛上空气中的氮是被优先选择吸附的分子，自此注意到应用分子筛分离富氮的可能性。变压吸附法制取富氧与变压吸附本身的开发一样，是沿着两条途径进行的：一方面是改善吸附剂的性能，以增大氮的吸附能力和富氮的分离系数；另一方面是改进工艺流程，根据富氧生产能力、纯度即吸附剂性能开发有各种二床、三床流程，前面介绍的多床制氢工艺也适用于生产富氧，吸附床数增加可提高产氧能力、降低总耗电量，但额外投资和床数增加的复杂性在经济上导致过于昂贵。所以目前工业上开发应用较多的是二、三床流程。
此法在吸附压力0.025MPa、抽空最终压力190乇下操作时，生产富氧纯度９３％，氧的回收率为３６～３９％。近年来，随着吸附剂制氧能力提高和工艺流程回收死空间气体的改进，所得富氧纯度大于９０％时，回收率为５０％，消耗能量小于０.５kwh/m3-O2,这个能耗已经与深冷空分制氧相接近。
3.3PSA制氧技术开发
3.3.1 新的制氧工艺——真空变压吸附
通常PSA采用的工艺是0.3-0.4MP加压吸附和常压解吸。1983年A.G Bager首先开发了真空变压吸附（VPSA）工艺，并申请了专利。所谓VPSA的制氧工艺就是在压力小于0.1MPa下吸附，真空下解吸。实践表明，真空再生法的性能优于常压再生法，又由于解吸用真空泵的能耗要比原料空气压缩机能耗低得多，从而降低了单位能耗。在这以后所公布的很多专利，都是以提高氧纯度及回收率为目的的。日本酸素工业株式会社即开发了低压吸附、均压、抽空、产品冲洗再说的生产 工艺。据报道，用该工艺制取的氧气纯度为93%-95%，产量为1000m3/h时的单耗为0.42kWh/Nm3。
3.3.2VPSA的操作条件
再生压力：再生压力对产品氧气的回收率影响最大，用高真空再生可得到较好的回收率，然而单纯提高真空度是不经济的；最佳压力变化范围取决于原料空气压缩所需能耗、真空泵的能耗及产品氧的回收率，对于一定的吸附剂还需通过试验加以决定。
4结束语
随着科学技术的发展，对氧气产品的需求量也在不断增长。从世界范围看变压吸附制氧装置的能力仍处于扩大的趋势，扩大的领域和速度与PSA法技术不断取得的新进展密切相关。由于新型分子筛的开发和工艺技术的日臻完善，结果使产品氧纯度提高，氧回收率增加，投资和能耗下降，无形中增加了它的竞争力。这就是将它列入高新技术并至今十分活跃的原因。利用当代前沿科学已取得的新成就研制性能优良的吸附剂，精心设计、优化流程是开发的方向和重点课题，年轻的PSA法制氧技术方兴未艾。
